黃飛龍，黃科榜，林 云，凌塑奇

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

橋梁作為跨越河流等障礙的重要工程構(gòu)筑物，也是溝通河流兩岸之間陸路交通運(yùn)輸?shù)臉屑~，其在陸路交通系統(tǒng)中的作用是不言而喻的。但對于水上運(yùn)輸?shù)拇岸?，橋梁卻是人工構(gòu)筑的障礙物。因此，橋與船就成為對立的矛盾主體。從某種意義上講，自從在通航河流上建設(shè)橋梁起，就有了橋梁船撞事故發(fā)生的可能性，而且在橋梁全壽命過程這種可能性都是客觀存在的[1]。2007—2011年間，我國共發(fā)生了20余起造成橋梁倒塌、航線中斷、人員傷亡等惡劣后果的重大船-橋相撞事故。

對于橋梁通航安全分析，大多數(shù)研究對象為通航水域內(nèi)的橋墩，對于一跨過江的中承式拱橋研究較少[2]。本文以南寧市三岸邕江大橋——凈跨徑為270 m的中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο?，對該橋梁通航安全風(fēng)險(xiǎn)及抗撞性能進(jìn)行分析，為同類工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。

1 工程概況

南寧市三岸邕江大橋是原南寧至北海高速公路上的一座特大橋，于宋村三江口至邕寧蒲廟之間河段的冷水洲附近跨越邕江。主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋一跨跨越邕江，凈跨徑為270 m。于1995年12月開工，1998年12月竣工，距今使用約23年。

橋位處航道現(xiàn)狀技術(shù)等級為Ⅲ級，最高通航水位按五年一遇洪水位控制，為73.1 m，通航凈高10 m，通航凈寬≥150 m。航道保護(hù)利用發(fā)展技術(shù)等級為Ⅱ級[3]。

2 技術(shù)路線

在收集調(diào)查與總結(jié)分析橋區(qū)航道與橋梁基本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)最新相關(guān)資料和相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行橋區(qū)航道條件與通航環(huán)境分析，確定橋梁抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，以航道水流數(shù)模分析、非線性船-橋碰撞動(dòng)力模擬為手段，進(jìn)行全橋船舶撞擊性能分析，獲取水流流速、船舶撞力、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)以及橋梁結(jié)構(gòu)抗力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。綜合橋區(qū)通航安全性、大橋結(jié)構(gòu)形式與橋墩基礎(chǔ)布置等情況，制定改善通航條件，加強(qiáng)通航安全等措施，針對橋梁船撞安全進(jìn)行多種橋墩防撞及抗撞方案比選，對各橋墩提出合理的防撞及抗撞建議，推薦經(jīng)濟(jì)合理的橋梁抗撞性能提升方案。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線圖

3 通航安全風(fēng)險(xiǎn)評估

三岸邕江大橋位于西江航運(yùn)干線南寧至蒲廟河段上，上距南寧市民生碼頭23.2 km，下游距邕寧水利樞紐19.1 km。橋位在邕江一個(gè)約90°急彎的尾部，彎道進(jìn)出口上下游河道較順直，橋梁軸線斷面適航水域?qū)捈s190 m，為橋位附近河道最窄處略下游，枯水期最大水深>23.0 m，水深條件良好。

3.1 水流情況分析

橋梁所在河道水流主要為由上游向下游的單向流，流向變化不大，拱座對所在位置的橫向流速有一定影響。

根據(jù)航道水流條件分析，最高通航水位(20年一遇洪水位)條件下，縱向流速最大值為2.988 m/s，橫向流速最大值為0.337 m/s；10年一遇洪水位條件下，縱向流速最大值為2.688 m/s，橫向流速最大值為0.197 m/s。

3.2 船舶可達(dá)性分析

三岸邕江大橋主橋?yàn)閱慰變艨?70 m的鋼管混凝土桁架式中承拱橋，由于拱肋的限制，在5年一遇洪水位時(shí)，橋梁實(shí)際可通航水域?qū)挾葹?26.3 m(滿足通航凈高10 m、側(cè)高6 m，且滿足通航水深的水域?qū)挾?，左側(cè)距離拱座21.4 m，右側(cè)距離拱座20.4 m。在10年一遇洪水位時(shí)，通航凈高為9.07 m；在設(shè)計(jì)最高通航水位(20年一遇)時(shí)，通航凈高為7.43 m，均不滿足10 m的要求。

橋梁兩側(cè)拱座大部分埋入原地面線以下，且受到拱肋高度限制，船舶無法到達(dá)拱座處，故船舶誤航碰撞拱座，造成橋、船受損的情況出現(xiàn)概率較小。但船舶行駛至橋梁處時(shí)，有一定概率誤航碰撞拱肋，建議橋梁增設(shè)通航凈高標(biāo)牌，設(shè)置位置為橋梁通航孔橋桁兩側(cè)，標(biāo)示橋梁通航孔滿足通航凈高的范圍，指引船舶安全通過橋梁。

3.3 通航凈空尺度分析

3.3.1 通航設(shè)計(jì)船型

橋梁所在的郁江南寧民生碼頭至邕寧樞紐河段目前為Ⅲ級航道，規(guī)劃為Ⅱ級航道，將來主要通航1 000噸級、2 000噸級船舶，結(jié)合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》《西江干線過閘船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和相關(guān)規(guī)劃報(bào)告推薦船型及老口船閘、邕寧船閘的設(shè)計(jì)代表船型，本橋橋區(qū)通航設(shè)計(jì)代表船型如表1所示。

表1 通航設(shè)計(jì)代表船型一覽表

3.3.2 設(shè)計(jì)通航水位

本項(xiàng)目橋梁所在河段不受潮汐影響，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2014)6.2.1條規(guī)定，本橋址處設(shè)計(jì)最高通航水位采用20年一遇洪水位。根據(jù)邕寧梯級汛期設(shè)計(jì)洪水水面推斷20年一遇水位為76.24 m(85高程，下同)。

根據(jù)邕寧水利樞紐水庫運(yùn)行調(diào)度方式，由邕寧庫區(qū)枯水期回水外包線插值計(jì)算，該橋址處最低通航水位為66.13 m。

3.3.3 通航凈空

航道通航凈寬要求如表2、表3所示。通航凈高要求如表4所示。

表2 通航凈寬與航道現(xiàn)狀技術(shù)等級Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)要求對照表(m)

表3 通航凈寬與航道保護(hù)利用發(fā)展技術(shù)等級Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)要求對照表(m)

表4 通航凈高與等級標(biāo)準(zhǔn)要求對照表(m)

橋址河段航道現(xiàn)狀技術(shù)等級為Ⅲ級，航道保護(hù)利用發(fā)展技術(shù)等級為Ⅱ級，橋梁實(shí)際通航凈寬為212.9 m。經(jīng)過計(jì)算復(fù)核，橋梁實(shí)際通航凈寬滿足Ⅲ級及Ⅱ級航道標(biāo)準(zhǔn)，凈高均不滿足10 m要求，若需滿足Ⅲ級航道及Ⅱ級航道標(biāo)準(zhǔn)10 m凈高的要求，需將水位降至73.67 m。根據(jù)計(jì)算，本橋橋址處5年一遇洪水位為72.88 m，本橋能在5年一遇洪水位時(shí)滿足航道現(xiàn)狀技術(shù)等級為Ⅲ級、航道保護(hù)利用發(fā)展技術(shù)等級為Ⅱ級的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 橋梁抗船撞性能研究

4.1 抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)確定

根據(jù)我國《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)中規(guī)定橋梁的抗撞設(shè)防目標(biāo)分為3個(gè)等級(P1、P2、P3)，抗船撞設(shè)防目標(biāo)、抗船撞性能等級以及構(gòu)件的抗船撞性能等級應(yīng)按表5的規(guī)定確定和取用。三岸邕江大橋抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 三岸邕江大橋抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)匯總表

4.2 抗撞分析基本參數(shù)

4.2.1 船撞角度

船舶撞擊橋梁角度的確定需要考慮多方面的因素，如河道變遷與河勢情況、水流流向、水流流向與橋軸線法向夾角、橋位處的風(fēng)壓與流壓偏角等。船舶在航道上航行，一般是按照航道中線呈蛇行航跡左右擺動(dòng)前進(jìn)，在實(shí)船滿載的情況下，受水流的流態(tài)、流向、流速的影響較大。而在空載情況下，船舶干舷增高，則受風(fēng)速、風(fēng)向的影響較大。評估三岸邕江大橋橋位處橋梁與水流方向夾角較小，綜合考慮環(huán)境因素和駕駛員行為分析，選取船舶撞擊角度為0°交角正向撞擊。

4.2.2 撞擊速度

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.5規(guī)定，船舶撞擊速度可按速度曲線采用式(1)計(jì)算：

(1)

結(jié)合本文前述流速分析，計(jì)算本橋船舶撞擊速度為3.97 m/s。

4.2.3 船撞作用力

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.3(2)，與橋梁碰撞時(shí)，輪船撞擊力設(shè)計(jì)值按式(2)計(jì)算：

F=a·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(2)

與橋梁上部結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)，甲板室撞擊力設(shè)計(jì)值按式(3)計(jì)算：

FDH=RDHF

RDH=0.532-2.66DWT×10-6

(3)

與橋梁上部結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)，桅桿撞擊力設(shè)計(jì)值按式(4)計(jì)算：

FM=KmFDH

(4)

代入式(1)～(4)，計(jì)算三種工況下撞擊力值如表6所示。

表6 三種工況下撞擊力計(jì)算結(jié)果表

4.3 船撞效應(yīng)分析

根據(jù)前述航道分析，可能發(fā)生船舶撞擊的情況為最高通航水位，拱肋受到船體、甲板室或桅桿撞擊。采用空間有限元軟件Midas Civil建立全橋抗撞分析有限元模型。全橋均采用梁單元建模，共3 945個(gè)單元，2 756個(gè)節(jié)點(diǎn)。橋梁有限元模型如圖2所示，船體撞擊位置如圖3所示，三種工況下撞擊作用效應(yīng)如表7所示。

圖2 全橋有限元模型圖

圖3 船體撞擊位置示意圖

表7 三種工況下撞擊作用效應(yīng)表

4.4 抗撞性能分析

目前我國尚沒有規(guī)范明確指導(dǎo)如何開展橋梁船撞性能評估，但在《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T3360-02-2020)中給出了橋梁船撞效應(yīng)和橋梁結(jié)構(gòu)抗船撞性能指標(biāo)計(jì)算分析方法，并指出抗船撞性能驗(yàn)算應(yīng)分別進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和變形驗(yàn)算[4-7]。本文采用橋梁船撞響應(yīng)作為結(jié)構(gòu)需求，采用《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T3360-02-2020)中給出的橋梁結(jié)構(gòu)抗船撞性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)抗船撞能力，通過對比需求、能力與抗撞設(shè)防目標(biāo)來評估結(jié)構(gòu)的抗船撞性能。當(dāng)能力與需求相比能夠達(dá)到抗撞設(shè)防目標(biāo)時(shí)，則認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)抗船撞性能驗(yàn)算滿足要求；反之，則認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)抗船撞性能驗(yàn)算不滿足要求，需進(jìn)行抗撞性能提升。

抗撞主要驗(yàn)算被撞擊的主弦管拱腳與撞擊點(diǎn)截面，并將驗(yàn)算截面根據(jù)不同材料劃分為纖維截面。根據(jù)《鋼管混凝土加勁混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS6632020)，鋼管混凝土截面應(yīng)分為鋼管內(nèi)核心混凝土和鋼管[8]。鋼管內(nèi)核心混凝土宜按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：as——鋼管混凝土截面含鋼率(%)；

ξ——約束效應(yīng)系數(shù)；

As——鋼管的橫截面面積(mm2)；

AC——核心混凝土的橫截面面積(mm2)。

鋼管采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度取345 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.01。各工況的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖4、圖5所示。

圖4 主弦管撞擊點(diǎn)截面纖維模型圖(mm)

圖5 弦管拱腳撞擊點(diǎn)截面纖維模型圖(mm)

三岸大橋的抗船撞設(shè)防目標(biāo)為P1等級，各構(gòu)件的抗船撞性能等級為JX1。因此，要求弦管在船撞作用下的截面彎矩應(yīng)小于截面等效屈服彎矩(考慮軸力)Meq。通過對比船撞效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗撞性能進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗彎承載力計(jì)算值Meq(抗彎能力)大于船撞產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)值(抗彎需求)，則抗彎性能滿足要求，反之則抗彎性能不滿足要求。結(jié)果如下頁表8所示。

5 橋梁防撞性能提升方案

三岸邕江大橋主橋是凈跨徑為270 m的中承式鋼管混凝土拱橋，一跨跨越邕江，不存在水中墩，但是在最高通航水位及偏航條件下，船舶有撞擊大橋拱肋的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)狀三岸大橋距離下游南欽高鐵邕江大橋的平面凈距約40 m。據(jù)悉，在本橋上游擬新建一幅三岸大橋復(fù)線橋?？紤]三岸復(fù)線橋建成以后，橋位處三座橋梁位置立面示意圖如下頁圖6所示。從上游至下游依次為擬建三岸大橋復(fù)線橋、既有三岸大橋、南欽高鐵邕江特大橋。既有三岸大橋位于三岸復(fù)線橋和南欽邕江兩座特大橋之間。

表8 主弦管關(guān)鍵截面抗撞性能驗(yàn)算表

圖6 考慮三岸復(fù)線橋建設(shè)后橋址橋梁立面圖(cm)

由圖6可知，三岸復(fù)線橋建設(shè)完成以后，三岸邕江大橋橋位處同時(shí)存在三座并行的特大橋，既有三岸邕江大橋處于兩座特大橋的中間，其船撞的風(fēng)險(xiǎn)降低。

據(jù)了解，目前三岸邕江大橋復(fù)線橋建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)。由于復(fù)線橋與現(xiàn)有三岸大橋距離很近(兩幅橋凈距僅約5 m)，若采用獨(dú)立防撞墩、防撞群樁、自浮式拱形防撞設(shè)施等措施，不但影響橋梁整體美觀，還會與復(fù)線橋相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)施、施工工作面沖突。其次，若在拱肋上設(shè)置橡膠護(hù)舷等附著式防撞設(shè)施，其抗撞作用較小，也不方便施工。因此，三岸邕江大橋不建議采用被動(dòng)式防撞設(shè)施。

綜上所述，結(jié)合橋梁的限制性條件、結(jié)構(gòu)尺寸、橋梁抗力、通航尺度、防撞水位以及橋位建設(shè)復(fù)線橋的需求等，推薦采用主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)。主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置時(shí)機(jī)宜結(jié)合三岸邕江大橋復(fù)線橋建設(shè)時(shí)機(jī)實(shí)施，以提高預(yù)警系統(tǒng)的使用效率，避免造成資源浪費(fèi)。建議在復(fù)線橋建設(shè)完成后，結(jié)合橋位處三座特大橋的具體情況，設(shè)置主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，以保證整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行。

6 結(jié)語

經(jīng)過以上分析，針對三岸邕江大橋的通航安全風(fēng)險(xiǎn)及抗撞性能提升，提出以下建議：

(1)在本段西江干線航道建設(shè)達(dá)到Ⅱ級航道之前，應(yīng)完善該橋區(qū)助導(dǎo)航標(biāo)志設(shè)置，特別是通航凈空水尺，改造后水尺凈高在8～10 m，提醒過往船舶在一定的水位根據(jù)自身情況航行，不要強(qiáng)行通過橋梁，避免發(fā)生安全事故。

(2)根據(jù)《內(nèi)河航標(biāo)技術(shù)規(guī)范》(JTS/T 181-1-2020)要求，橋梁需要增設(shè)通航凈高標(biāo)牌，設(shè)置位置為橋梁通航孔橋桁兩側(cè)。

(3)增設(shè)乙類標(biāo)志，設(shè)置位置在橋梁拱肋的兩個(gè)迎船面上，標(biāo)志中間段位于航道中心線的上方，配上左側(cè)段和右側(cè)段，以標(biāo)示橋梁的通航凈空寬度。

(4)加強(qiáng)信息的發(fā)布和安全監(jiān)督管理。加強(qiáng)有關(guān)信息的發(fā)布，根據(jù)水情水位的變化情況，提前發(fā)布橋梁通航信息，以便船舶航行中提前選擇是否通過橋梁；設(shè)置橋梁的CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)監(jiān)控橋區(qū)水情及通航孔凈空尺度，及時(shí)提醒過往船舶錨泊。

(5)結(jié)合橋梁的限制性條件、結(jié)構(gòu)尺寸、橋梁抗力、通航尺度、防撞水位以及橋位建設(shè)復(fù)線橋的需求等，建議增設(shè)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)。主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置時(shí)機(jī)宜結(jié)合三岸邕江大橋復(fù)線橋建設(shè)時(shí)機(jī)實(shí)施。